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GPS disziplinierter Normaloszillator (GPSDO)

Übersicht u. Anwendung von Frequenznormalen,10MHz OCXO mit analoger Regelung GPS synchronisiert

Jörg Logemann, DL2NI, April 2017, Mai 2019

DL2NI

Historie der Frequenzmessung

...und Historie der Frequenzmessgenauigkeit:

Früher (bis in die 80er) VFO und Einpfeifen auf Referenzoszillator (meist 100kHz oder 1MHz)

Auch Einpfeifen auf WWV und andere Sender (teils wöchentliche „Eichsendungen“ von Amateuren!)

Einpfeifen heißt: akustische Beobachtung auf „Schwebungs-Null“. Genauigkeit ±10...300Hz (je nach unterer NF-Grenzfrequenz des RX!)

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Historie der Frequenzmessung

In den 70er Jahren kamen Frequenzzähler auf den Markt, einfacher Quarzoszillator, Nixie-Anzeige, Genauigkeit ±2*10-5 …±5*10-6 oder ±200… ±50Hz bei 10MHz

DL2NI

Historie der Frequenzmessung

Dann wurde DCF77 aktuell (ab ca. 1973...)

In den 2000er Jahren kam GPS-Regelung

Mit beiden können Referenzoszillatoren gebaut werden mit df = ±1*10-9 …±5*10-13 (siehe unten)

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Historie der Frequenzgenauigkeit

1. VFO auf Kurzwelle, ältere TRX

2. gute mech. Armbanduhr

3. Quarzosz., Synthesizer

4. TCXO, Synthesizer

5. OCXO, Synthesizer

6. Riefler Pendeluhr Typ E, 1962

7. OCXO an DCF77

8. OCXO an GPS

±2*10-4…±5*10-5 oder ~ ±800…200Hz auf 80m

±1*10-5 oder ~± 1sec/d

±5*10-5 …±1*10-5 oder ~ ±200… 40Hz auf 80m

±1*10-5...±2*10-6 oder ~ ±40… 8Hz auf 80m

±2*10-7...±1*10-8 oder ~ ±0,8… 0,04Hz a. 80M

oder ±2000...100Hz auf 10GHz

±4,6*10-8 … ±1,2*10-9 oder ca. ±4ms/d… ±100µs/d

±1*10-9 in 200s oder ±10Hz auf 10GHz (~±86µs/Tag oder 1s in 32 Jahren)

±1*10-11 in 200s oder ±0,1Hz auf 10GHz (~±860ns/Tag oder 1s in 3200 Jahren)

Das dürfte reichen... DL2NI

Schlussfolgerung

auf Kurzwelle ist ein XO ausreichend, für Digimodes ein TCXO sinnvoll

auf den VHF/UHF-Bändern ist für SSB und Digimodes der Einsatz eines TCXO sinnvoll, 13cm und höher: OCXO

zum Nachkalibrieren wird ein genauerer Oszillator benötigt: ein „angebundener“ OCXO

auf 10GHz und höher sollte es schon ein „angebundener“ TCXO (hat Nachteile) oder ein guter (angebundener oder auch freier) OCXO sein.

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Überlegungen zum Design des geregelten OCXO

Möglichst guter OCXO (Stabilität, Jitter, Phasenrauschen)

schon für 30€ bei Ebay: gebrauchter MV89A von Morion (Russland)

Ein schlechter Oszillator wird mit der Regelung nicht besser, nur die Alterung wird ausgeregelt!

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Preiswerter TCXO gegen MV89A

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PLL Grundschaltung

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Überlegungen zum Design des geregelten OCXO

Ist DCF77 oder GPS besser?

DCF77-Trägerfrequenz (77,5kHz) und Sek.-Pulse haben hohe Genauigkeit, (bei Pulsauswertung: 59. Sekunde muss ergänzt oder übersprungen werden)

Nachteile DCF77: HF-Signal muss für Trägerauswertung begrenzt werden, Empfänger aufwändig und nicht „von der Stange“ kaufbar, VLF-Ausbreitung geht stark in Genauigkeit ein

Vorteile DCF77: Funksignal überall mit Innenantenne verfügbar, auch im „Bastel-Keller“

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OCXO an DCF77 angebunden

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Überlegungen zum Design des geregelten OCXO

Entscheidung für GPS:

GPS-Empfänger mit 1PPS mit geringem Jitter, Timing-Empfänger, z.B. U-Blox NEO-M8T

Richtig dimensionierter PI-Regler, Zeitkonstante ca. 2000 sec!

Keine Behelfsantenne „irgendwo hingeklatscht“, sondern Antenne mit Rundumsicht

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Übersicht über handelsübliche GPSDO

Zunächst: was kann man kaufen?

Im Handel, besonders bei ebay, sind viele verschiedene GPSDO für Preise zwischen 140...1000€ erhältlich. Z.T. sind günstige Surplusgeräte zu bekommen, z.B. aus „ausgeschlachteten“ GSM-Basisstationen.

Beispiel: Lucent RFTG, Ref0 u. Ref1 (= Z3810)

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Chinesisches GPS-Normal von BG7TBL

ca. 130€ bei ebay

Mit gutem OCXO MV89A von Morion

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GPSDO von SDR-kits

Mit kleinemTCXO, Preis ca. 180€

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G3RUH Normal

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Lucent RFTG (Ref0 und Ref1)

ca. 300$ bei ebay USA

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HP (Agilent): Z-3805 mit Zähler 53132A (Profigerät)

GPSDO: 300...500$ bei ebay USA, Zähler 1000...1500$/€DL2NI

Messaufbau zur Messung genauer Oszillatoren

Zähler und Frequenznormal müssen mindestens 24 Std. „warmlaufen“, am besten Dauerbetrieb!

DL2NIRubidium-Normal kalibrieren mit „Human-PLL“

Human PLL

DL2NIanwendbar für freies Rubidiumnormal oder freien OCXO

DCF77-Normal gegen GPSDO

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PLL Grundschaltung für GPS

Eigenbau: was muss man tun? (Möglichkeit 1)

OCXO-Frequenz (10MHz) muss auf 1Hz geteilt werden und mit 1Hz (1PPS) vom GPS verglichen werden

Phasendetektor für 1Hz nötig, z.B. EXOR-Gatter

Loopfilter mit T=2000 sec.

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PLL Grundschaltung

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Digitale und analoge PLL

„digitale“ PLL ist nicht besser, kann aber mit „Gedächtnis“ und „Anpassung“ an den OCXO schneller reagieren. Mikrocon-troler Programmierung nötig!

Herkömmliche PLL und PLL mit Microcontroller, meist mit Kalman-Filter

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PLL Grundschaltung

Alternative: Sample & Hold. Mit sehr kurzen Pulsen wird mit 1PPS eine „Probe“ (Sample) vom OCXO genommen und aufintegriert

Loopfilter mit T=2000 sec.

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Regelung (PI-Regler)

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Sample & Hold PLL

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GPSDO-Schaltbild komplett

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OCXO mit Frequenzteiler

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Samplepulserzeugung

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Sample & Hold Schaltung

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Loopfilter, 2 Zeitkonstanten

Schnelle Zeitkonstante zum schnellen Einrasten

Langsame Zeitkonstante für eingerasteten Zustand

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Frequenzgang Loopfilter

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Ausgangsverstärker

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Aufbau auf Lochrasterkarte

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Rückseite

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...auch mit SMD-Bauteilen bestückt

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Einschwingverhalten

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Vergleich GPSDO-DL2NI mit professionellen GPSDO

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Vergleich GPSDO-DL2NI mit professionellen GPSDO

DL2NIDL2NI

Vergleich GPSDO-DL2NI mit professionellen GPSDO

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GPSDO gegen Morion MV89 und MTI

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MV89A und preiswerter TCXO an der GPS-Regelung

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Preiswerter TCXO gegen MV89A

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GPSDO mit MV89A gegen preiswerten TCXO

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OCXO MV89A

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OCXO MTI260, 5MHz

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GPSDO gegen G3RUH, Leo Bodnar und BG7TBL

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GPSDO gegen G3RUH, Leo Bodnar und BG7TBL

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Lösungen für portablen GHz-Betrieb (pro/contra)

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Frequenznormal pro contra

GPSDO mit OCXO beste Kurzzeitgenauigkeit und Langzeitgenauigkeit

braucht Std. zum Einschwingen u. guten GPS-Empfang, hoher Leistungsbedarf

GPSDO mit TCXO geringer Leistungsbedarf, gute Langzeitgenauigkeit

braucht Std. zum Einschwingen u. guten GPS-Empfang, schlechte Kurzzeitgenauigkeit

guter freilaufender OCXO mit LiIon-Akkupack

wird zuhause kalibriert und läuft beim Transport durch, keine Einschwingzeit, Genauigkeit 1*e-8/year oder 3*e-11/day

Akku nötig, ausreichende absolute Genauigkeit bleibt nur begrenzte Zeit erhalten (je nach Güte des OCXO)

Rubidiumnormal, LPRO oder FE-5680A (programmierbar)

hervorragende Genauigkeit (kurz- und langzeit),2*10e-9/year, 2*e-11/day, FE-5680A nach 5min auf 1*e-9!

sehr hoher Leistungsbedarf (20 Watt), muss möglichst durchlaufen (Akku), begrenzte Lebensdauer

Human PLL

DL2NIanwendbar für freies Rubidiumnormal oder freien OCXO

portables 10MHz-Frequenznormal mit 5MHz-OCXO

DL2NI

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Noch Fragen?

Dann noch einen schönen Tag...

DL2NI